Phản ứng nhiệt hạch là một trong những phản ứng được ứng dụng nhiều trong cuộc sống. Để tìm hiểu chi tiết về phản ứng nhiệt hạch là gì, ví dụ và ứng dụng cụ thể của loại phản ứng này như thế nào, mời bạn đọc cùng tham khảo ngay bài viết sau đây của chúng tôi.
Phản ứng nhiệt hạch là gì?
Phản ứng nhiệt hạch là dạng phản ứng tổng hợp các hạt nhân nặng từ hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hơn. Phản ứng nhiệt hạch sản sinh ra nhiệt lượng khổng lồ, lớn hơn so với cả những phản ứng phân hạch. Tuy nhiên để có thể xảy ra được phản ứng nhiệt hạch thì sẽ cần phải có các điều kiện cụ thể.
Cùng với quá trình này là sự phóng thích năng lượng hoặc hấp thụ năng lượng được dựa vào những khối lượng của các hạt nhân tham gia.
Nhân sắt và niken sẽ sở hữu năng lượng được kết nối nhân lớn, bền vững hơn so với những nhân khác. Nhờ sự kết hợp hạt hạt nhân của các nguyên tử nhẹ hơn sắt và nickel giúp phóng thích năng lượng, còn các tác nhân nặng hơn sẽ có khả năng giúp hấp thụ năng lượng.
Nguyên lý gây ra các phản ứng nhiệt hạch
Năng lượng tổng hợp hạt nhân được dựa trên nguyên lý của nhà bác học vĩ đại Albert Einstein. Phản ứng tổng hợp hạt nhân là 2 nhân được hợp lại với nhau thành một nhân nặng.
Trong quá trình hợp nhất giúp phóng thích ra một năng lượng khổng lồ. Phản ứng tổng hợp hạt nhân phóng thích năng lượng sẽ tùy thuộc vào khối lượng của những hạt nhân tham gia.
Ví dụ: Các nguyên tử nhẹ hơn sắt và nickel tổng hợp hạt nhân sẽ giúp phóng thích năng lượng, còn các hạt nhân nặng hơn thì có khả năng hấp thu năng lượng.
Sau đây là phản ứng tổng hợp hạt nhân:
H2 (deuterium) + H3 (tritium) → H4 (Helium4) + n (neutron).
Phản ứng trên viết lại theo ký hiệu: 21D + 31T → 42He (3,5 MeV) + n (14,1 Mev).
Nếu thực hiện phản ứng tổng hợp chúng ta sẽ thu được năng lượng.
Để làm được điều này sẽ cần phải sử dụng một nguồn năng lượng vô cùng lớn, cần tạo ra nhiệt độ cao trên 100 triệu độ (gấp khoảng 10 lần tâm của Mặt trời). Với nhiệt độ cao này, nguyên tử khí bị “tuột” ra khỏi các electron bên ngoài, để lại các hạt nhân mang điện tích dương. Những đám khí này được gọi là plasma.
Vì có mang điện tích, cho nên chúng có thể chứa từ trường bên trong, ngay cả khi ở nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ khi đạt đến mức cần thiết sẽ giúp tạo ra từ trường mạnh và bắn ra tia hydro giàu neutron, làm xảy ra hiện tượng nhiệt hạch. Vì thế cho nên, người ta còn gọi đây là phản ứng nhiệt hạch. Phản ứng nhiệt hạch là cơ sở để thực hiện chế tạo bom khinh khí hay bom H, cũng là cơ sở để giúp xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch.
Xem thêm: Phản ứng este hóa là gì? Đặc điểm, cách tính hiệu suất phản ứng este hóa
Đặc điểm của các phản ứng nhiệt hạch
Nhiên liệu thường được dùng ở trong các phản ứng tổng hợp hạt nhân là những đồng vị deuterium và tritium của hydrogen. Những đồng vị này có thể dễ dàng trích lấy từ các thành phần nước biển hay tổng hợp từ nguyên tử hydrogen.
Để giúp cho các hạt nhân hợp lại với nhau, sẽ cần phải tiêu tốn một nguồn năng lượng khá lớn, đòi hỏi cần tăng nhiệt độ của hệ lên cao trước khi xảy ra phản ứng.
Nguồn năng lượng được phóng thích từ các phản ứng hạt nhân thường lớn hơn so với các phản ứng hóa học. Bởi vì nguồn năng lượng được kết dính giữ cho các nhân với nhau lớn hơn nhiều so với năng lượng giữ các electron với nhân.
Điều kiện để giúp xảy ra các phản ứng nhiệt hạch
Phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở điều kiện sau đây:
- Đầu tiên, các hỗn hợp nhiên liệu cần phải được chuyển sang trạng thái plasma (yêu cầu nhiệt độ khoảng 104 độ).
- Động năng cung cấp vào ban đầu vào khoảng 105 eV nhằm giúp cho các hạt nhân có thể tiếp xúc với nhau để tạo nên được các phản ứng phân hạch (yêu cầu nhiệt độ khoảng 100 triệu độ)
- Yêu cầu mật độ của các hạt nhân ở trong trạng thái plasma phải đảm bảo đủ lớn
- Thời gian duy trì trạng thái plasma tại nền nhiệt độ 100 triệu độ cần đủ lớn
Với những điều kiện này vì thế cho cho tới nay chúng ta vẫn chưa thể sử dụng được các kỹ thuật tiên tiến nhất để tạo ra các lò phản ứng hạt nhân nhiệt hạch phục vụ nhu cầu cung cấp năng lượng sạch vô hạn đối với con người.
Xem thêm: Electron hóa trị là gì? Cách xác định hóa trị của các nguyên tố
Những phản ứng nhiệt hạch trên Trái Đất
Trên Trái Đất, con người đã thực hiện tạo ra các phản ứng nhiệt hạch khi thử quả bom H, hiện đang nghiên cứu tạo ra phản ứng nhiệt hạch có điều khiển.
Hiện các trung tâm nghiên cứu đều dùng đến phản ứng:
21H + 31H → 42He+10n + 17,6 MeV
Có thể thực hiện phản ứng này một cách đơn lẻ như sau: cho triti ở thể khí bay bám vào một tấm đồng. Những hath nhân được gia tốc đến 2 MeV đập vào tấm bia ấy. Phản ứng nhiệt hạch xảy ra sẽ có dấu hiệu là sự phát ra hạt nơtron năng lượng xác định là 14,1 MeV.
Xem thêm: Hạt nhân nguyên tử là gì? Kí hiệu, cấu tạo, điện tích hạt nhân nguyên tử
Ứng dụng của phản ứng nhiệt hạch
Hiện có rất nhiều nghiên cứu về tính khả thi của việc sử dụng các phản ứng nhiệt hạch như một nguồn cung cấp năng lượng vô hạn cho con người. Các nhà nghiên cứu đều hy vọng có thể khống chế được tốc độ, lượng nhiệt mà phản ứng này sản sinh ra.
Nhưng với những vật liệu mà con người biết đến hiện nay thì chưa có vật liệu nào có thể chịu được nhiệt độ của phản ứng nhiệt hạch. Nếu như việc ứng dụng năng lượng của phản ứng nhiệt hạch có thể trở thành hiện thực, chúng sẽ là một trong những nguồn năng lượng lý tưởng đối với con người. Đây là nguồn năng lượng được đánh giá với nhiều ưu điểm như:
- Sở hữu mật độ năng lượng vô cùng cao, mật độ năng lượng của chúng hơn hàng tỷ lần so với mật độ năng lượng của những nhiên liệu hóa thạch, và hơn hàng chục lần mật độ năng lượng của nhiên liệu phân hạch.
- Đây là nguồn năng lượng hoàn toàn sạch, không gây ô nhiễm môi trường. Nếu như nhiên liệu của phản ứng nhiệt hạch là các đồng vị Hydro như: triti, deuteri, thì các sản phẩm thải ra là khí hiếm, heli. Các chất này hoàn toàn không gây ra tác động xấu đến môi trường.
- Giúp thúc đẩy ngành công nghệ hạt nhân, tổng hợp đồng vị được phát triển.
- Là nguồn nhiên liệu thô giúp tạo ra các phản ứng nhiệt hành vô tận trong vũ trụ
Có thể thấy năng lượng của phản ứng nhiệt hạch sở hữu được các đặc điểm vượt trội mà không phải với loại hình năng lượng nào cũng sẽ có được. Chỉ khi con người tìm ra được vật liệu thích hợp để làm bình chứa cho phản ứng nhiệt hạch cũng như phương pháp để giúp khống chế hiệu quả thì đây mới trở thành nguồn năng lượng quan trọng đối với con người.
Xem thêm: Phản ứng phân hạch là gì? Phương trình, ứng dụng, ví dụ
Như vậy chúng ta đã có thể tìm được câu trả lời cho câu hỏi phản ứng nhiệt hạch là gì, cũng như đặc điểm, ứng dụng, nguyên lý và những điều cần biết về phản ứng này. Bạn đọc hãy nhấn theo dõi thapgiainhietliangchi.com để có thể cập nhật thêm nhiều thông tin cực bổ ích khác nhé!
